CN115395811B - 大功率高效率线性无局放变频电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率高效率线性无局放变频电源，包括桥臂单元、电容单元和工业三相电源，所述工业三相电源经整流后由电容单元为桥臂单元提供直流供电电源；桥臂单元包括第一串联桥臂、第二串联桥臂和第三串联桥臂，其中第一串联桥臂和第二串联桥臂并联；Q1和Q3由若干只三极管组成，工作在线性放大状态；Q2，Q4由大功率IGBT组成，工作在开关状态；Q5和Q6由大功率IGBT组成，工作在开关状态；电容单元包括C1和C2一共两个电容，且C1和C2串联；Q5连接于Q2和Q4之间，Q6连接于C1和C2之间。本发明Q2，Q4由IGBT代替数千只三极管，大大降低了变频电源的体积大小，同等体积可获得更大的功率；增加了Q5，Q6，降低了电源装置的损耗，提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及高压测试技术领域，具体为一种大功率高效率线性无局放变频电源。
背景技术
目前市场上变频电源常见的桥式组成结构，按其桥臂上调整管工作状态，可分为开关型及线性放大性。
调整管工作态处于开关状态，是指每个桥臂上调整管要么处于全导通状态(导通时管压降很小，一般小于2V)，要么是否处于完全截止状态，其对外表现特征，类似机械的开关特征，常见开关管由IGBT，MOS，可控硅，等组成。此类的电路组成，输出的波形，伴随有由于开关管关合瞬间产生的大量谐波分量，输出波形达不到纯正弦波的效果，混有的谐波分量，影响局放试验。
调整管工作态处于线性状态，是指每个桥臂上调整管都是处于线性放大状态，输出波形纯正弦波输出，最适合作为局放试验电源。但是由于工作时在线性放大状态，管子上同时承受电压，及流过电流，管耗非常大，整个电源装置输出效率低。也因为管耗非常大，同常都是通过并联多只功率管(功率三极管使用较为普遍)，并联数量依变频电源功率大小，有着几千，甚至上万只三极管，此措施分担了单个管子的功率，但庞大的数量，增加了设备的体积，也限制电源容量。为此，我们推出一种大功率高效率线性无局放变频电源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率高效率线性无局放变频电源，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大功率高效率线性无局放变频电源，包括桥臂单元、电容单元和工业三相电源，所述工业三相电源经整流后由电容单元为桥臂单元提供直流供电电源；
所述桥臂单元包括第一串联桥臂、第二串联桥臂和第三串联桥臂，其中第一串联桥臂和第二串联桥臂并联；
所述第一串联桥臂包括Q1和Q3一共两个桥臂，且Q1和Q3串联；
所述第二串联桥臂包括Q2和Q4一共两个桥臂，且Q2和Q4串联；
所述第三串联桥臂包括Q5和Q6一共两个桥臂，且Q5和Q6串联；
所述Q1和Q3由若干只三极管组成，工作在线性放大状态；
所述Q2，Q4由大功率IGBT组成，工作在开关状态；
所述Q5和Q6由大功率IGBT组成，工作在开关状态；
所述电容单元包括C1和C2至少两个电容，且C1和C2串联；
电容工作过程：充电，储能电，放电；负载越大，单位时间内，消耗的电能就越大，那么就需要电容容量越大，否电容两端电压放电太快，供电不足，电压降压太多，表现出纹波太大；
工程上，电容容量，按RC周期等于3-5倍的电源半周期估算，实际上有条件，会多并一点电容，可以降低纹波；
电容容量的选取大小，依据电源的设计容量；
所述Q5连接于Q2和Q4之间，Q6连接于C1和C2之间。
正弦波输出正半周时(输出OUT1+，OUT2-)，Q1放大导通，Q4完全导通，Q4压降小于2V，Q2，Q3截止，输出正弦波上半周。
正弦波输出负半周时(输出OUT1-，OUT2+)，Q3放大导通，Q2完全导通，Q2压降小于2V，Q1，Q4截止，输出正弦波下半周。
当有Q5，Q6导通时，相当于推挽输出，小电压输出时，降低了管耗，提高了效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明Q2，Q4由IGBT代替数千只三极管，大大降低了变频电源的体积大小，同等体积可获得更大的功率；增加了Q5，Q6，降低了电源装置的损耗，提高了效率。
附图说明
图1为目前的线性无局放变频电源的框图；
图2为Q1，Q2，Q3，Q4工作在线性放大状态时的实际电路图；
图3为本发明Q1和Q3工作在线性放大状态以及Q2，Q4工作在开关状态时的连接示意图；
图4为本发明图3中加入工作在开关状态的Q5和Q6的结构示意图；
图5为本发明中使用IGBT管FF600R12IE4模型结构示意图；
图6为本发明中使用IGBT管FF600R12KE4-E模型结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1中C1，C2为多只大容量电解电容组成(推荐参数电容耐压400V或450V，容量可由多个单只5600uF或6800uF组合而成)，主要功能为三相全桥整流后，进行滤波，为试验回路提供稳定的直流电源。
Q1，Q2，Q3，Q4工作在线性放大状态，是由几千只三极管组成(如图2所示)。
(Q1，Q2，Q3，Q4实际上是由多只三极管组成超大功率复合管，图中三极管选2SC3997(或类似参数的大功率三极管)组成，图中电阻起均流作用，电阻阻值越大，均流效果越好，但功耗越大，推荐阻值3欧-20欧，如设计每只管子流过0.5A，当输出500A时，第二级管子数量为1000只，第一级管子数量为500A除上三极管放大倍数(手册可查，取中间数20)，则第一级管子数量为50只。
如图3所示，本发明结合线性放大及开关状态两种情况，也使用4个桥臂，2个桥臂工作在放大状态，另2个桥臂工作在开关状态；
请参阅图3-4，本发明提供一种技术方案：一种大功率高效率线性无局放变频电源，包括桥臂单元、电容单元和工业三相电源，所述工业三相电源经整流后由电容单元为桥臂单元提供直流供电电源；
所述桥臂单元包括第一串联桥臂、第二串联桥臂和第三串联桥臂，其中第一串联桥臂和第二串联桥臂并联；
所述第一串联桥臂包括Q1和Q3一共两个桥臂，且Q1和Q3串联；
所述第二串联桥臂包括Q2和Q4一共两个桥臂，且Q2和Q4串联；
所述第三串联桥臂包括Q5和Q6一共两个桥臂，且Q5和Q6串联；
所述Q1和Q3由若干只三极管组成，工作在线性放大状态；
所述Q2，Q4由大功率IGBT组成，工作在开关状态；
所述Q5和Q6由大功率IGBT组成，工作在开关状态；
所述电容单元包括C1和C2至少两个电容，且C1和C2串联；
电容工作过程：充电，储能电，放电；负载越大，单位时间内，消耗的电能就越大，那么就需要电容容量越大，否电容两端电压放电太快，供电不足，电压降压太多，表现出纹波太大；
工程上，电容容量，按RC周期等于3-5倍的电源半周期估算，实际上有条件，会多并一点电容，可以降低纹波；
电容容量的选取大小，依据电源的设计容量；
所述Q5连接于Q2和Q4之间，Q6连接于C1和C2之间。
正弦波输出正半周时(输出OUT1+，OUT2-)，Q1放大导通，Q4完全导通，Q4压降小于2V，Q2，Q3截止，输出正弦波上半周。
正弦波输出负半周时(输出OUT1-，OUT2+)，Q3放大导通，Q2完全导通，Q2压降小于2V，Q1，Q4截止，输出正弦波下半周。
Q1，Q3仍是由几千只三极管组成，工作在线性放大状态，Q2，Q4由大功率IGBT组成，工作在开关状态，正半周时(输出OUT1+，OUT2-)，Q1放大导通，Q4完全导通(压降小于2V)，Q2，Q3截止，输出正弦波上半周：负半周时(输出OUT1-，OUT2+)，Q3放大导通，Q2完全导通(压降小于2V)，Q1，Q4截止，输出正弦波下半周。此回路用单只IGBT或几只IGBT并联，代替几千只三极管，大大减小的电源装置的体积。
再此基础上，再增加Q5，Q6两只IGBT，降低功耗，提高效率，当有Q5，Q6导通时，相当于推挽输出，小电压输出时，降低了管耗，提高了效率，结构图如图4所示；
Q2，Q4可选择单只包括上下桥臂IGBT单元，可选择FF600R12IE4(如图5所示)，更大容量电源，可选同种结构，更大电流等级，或两只并联；
Q5，Q6管选择电流等级同Q2，Q4，可选FF600R12KE4_E模型(如图6所示)；
工作原理：
Q1，Q3仍是由几千只三极管组成，工作在线性放大状态，Q2，Q4，Q5，Q6由大功率IGBT组成，工作在开关状态：
正弦波输出正半周时(输出OUT1+，OUT2-)：
1、输出电压低于1/4UDC，Q1放大导通，Q2，Q3，Q4截止，Q5，Q6完全导通；
2、输出电压高于1/4UDC小于1/2UDC，Q6状态截止，其它状态维持上一个状态不变；
3、输出电压≥1/2UDC，Q4完全导通，其它状态维持上一个状态不变
4、输出电低于1/2UDC，高于1/4UDC，Q4截止，其它状态维持上一个状态不变；
5、输出电压低于1/4UDC，Q6完全导通，其它状态维持上一个状态不变
5个步骤完成一个正半周波形，负半周分析方法同正半周，时序图如下表1所示：
表1
主要性能特点：
增加了Q5，Q6切换，降低了功耗，提高了效率，尤其是在输出电压低于1/2直流电压时，表现更为突出，大大改善了低电压，大电流输出的管耗。
简单举例说明：
当直流电压550V，输出电压150V 100A时(方便计算以瞬时值为例)，输出功率150V*100A＝15kW；
管损耗(550V-150V)*100A＝40kW(普通电路)；
管损耗(275V-150V)*100A＝12.5kW(带Q5，Q6电路)；
综上所述：
1)本专利Q2，Q4由IGBT代替数千只三极管，大大降低了变频电源的体积大小，同等体积可获得更大的功率；
2)增加了Q5，Q6，降低了电源装置的损耗，提高了效率。
该大功率高效率线性无局放变频电源属于高压测试领域，使用场合适用于大容量电力变压器的感应耐压局放试验，及其它大容量试品耐压试验时，有局放要求的场合，如长距离高压电缆耐压试验的同时，兼顾局放测量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种大功率高效率线性无局放变频电源，包括桥臂单元、电容单元和工业三相电源，其特征在于：所述工业三相电源经整流后由电容单元为桥臂单元提供直流供电电源；
所述桥臂单元包括第一串联桥臂、第二串联桥臂和第三串联桥臂，其中第一串联桥臂和第二串联桥臂并联；
所述第一串联桥臂包括Q1和Q3一共两个桥臂，且Q1和Q3串联；
所述第二串联桥臂包括Q2和Q4一共两个桥臂，且Q2和Q4串联；
所述第三串联桥臂包括Q5和Q6一共两个桥臂，且Q5和Q6串联；
所述Q1和Q3由若干只三极管组成，工作在线性放大状态；
所述Q2，Q4由大功率IGBT组成，工作在开关状态；
所述Q5和Q6由大功率IGBT组成，工作在开关状态；
所述电容单元包括C1和C2至少两个电容，且C1和C2串联；
所述Q5连接于Q2和Q4之间，Q6连接于C1和C2之间。
2.根据权利要求1所述的一种大功率高效率线性无局放变频电源，其特征在于：正弦波输出正半周时，Q1放大导通，Q4完全导通，Q4压降小于2V，Q2，Q3截止，输出正弦波上半周。
3.根据权利要求1所述的一种大功率高效率线性无局放变频电源，其特征在于：正弦波输出负半周时，Q3放大导通，Q2完全导通，Q2压降小于2V，Q1，Q4截止，输出正弦波下半周。
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